4. 光栅耦合器测试方法与耦合效率提取
光栅耦合器（Grating Coupler, GC）是硅光晶圆级测试中最常用的光输入输出接口，它把芯片内水平传播的波导模式通过周期性光栅结构衍射到芯片表面法向附近，从而允许探针光纤从芯片上方垂直或近垂直耦合。与端面耦合相比，光栅耦合器不需要解理面或抛光端面，探针可在晶圆任意位置落点，因此特别适合晶圆级自动测试。但代价是：耦合效率对波长、偏振、入射角和光纤位置高度敏感，测试时必须把“对准”“波长”“偏振”三个维度分开处理，否则提取出的耦合效率与带宽会互相污染。
一、垂直耦合的对准策略
光栅耦合器的耦合效率由光纤模场与光栅衍射场的重叠积分决定。典型单模光纤（SMF-28）模场直径约 10.4 μm，而硅光栅耦合器的模场尺寸通常只有几微米到十几微米，且呈椭圆分布。因此对准的核心是让光纤纤芯中心与光栅耦合区中心在三维空间重合，并让光纤轴向与光栅最佳耦合角一致。
硅光栅耦合器通常采用倾斜入射，典型入射角为 8°～12°（相对芯片法线），目的是抑制二阶布拉格反射、提高方向性。测试时先把光纤固定在倾斜夹具上，使光纤轴向与法线成设定角度，再在 X、Y、Z 三个方向搜索。X、Y 决定横向位置，Z 决定离焦量。由于光栅耦合区尺寸小，X、Y 的容差通常在 ±1 μm 量级，Z 的容差稍大，约 ±3～5 μm。
实际对准一般分两步：粗对准和精对准。粗对准用较大步距（如 5 μm）扫描 X、Y，观察光功率计读数，找到功率明显上升的区域；精对准在粗对准中心附近用 0.1～0.5 μm 步距做二维扫描，寻找功率最大值。Z 方向可先固定在一个经验高度，再在 X、Y 精对准后做一维 Z 扫描。若测试系统带视觉辅助，可先用相机把光纤对准光栅标记，再进入光功率搜索。
二、波长扫描与偏振扫描测试
波长扫描用于提取光栅耦合器的带宽和中心波长。测试时固定偏振和光纤位置，用可调激光器从短波到长波扫描，例如 1260 nm 到 1360 nm，步进 10 pm 或 20 pm，同时记录光功率计读数。由于光栅耦合器的衍射方向与波长有关，波长偏离设计中心时耦合效率下降，因此扫描曲线通常呈钟形或带旁瓣的谐振峰。
偏振扫描用于提取偏振相关损耗（PDL）。硅光栅耦合器通常对 TE 和 TM 偏振响应不同，甚至只针对一种偏振优化。测试时固定波长和位置，旋转光纤偏振控制器或使用偏振扫描仪，记录不同偏振态下的功率。典型做法是扫描 0°～360° 偏振角，得到功率随偏振角的变化曲线，最大值与最小值之比即为 PDL。
需要注意的是，波长扫描和偏振扫描不能同时进行。若同时改变波长和偏振，测得的功率变化无法区分是波长响应还是偏振响应。正确顺序是：先固定波长和偏振做位置对准，再固定位置和偏振做波长扫描，最后固定波长和位置做偏振扫描。
三、耦合效率与带宽的分离提取算法
光栅耦合器测试得到的原始数据是“光纤输入功率”和“芯片输出功率”的比值，但这个比值包含了两部分：光栅耦合器的耦合效率，以及波导本身的传输损耗。要提取纯耦合效率，必须做参考校准。
常用方法是“背靠背”结构：在同一个芯片上制作两个相同的光栅耦合器，中间用短直波导连接。设输入光栅耦合效率为 η₁，输出光栅耦合效率为 η₂，波导传输损耗为 α（dB），则总插入损耗 IL 为：
IL = -10·log₁₀(η₁) - 10·log₁₀(η₂) + α·L
若 η₁ = η₂ = η，则：
IL = -20·log₁₀(η) + α·L
η = 10^(-(IL - α·L)/20)其中 L 为两个光栅之间的波导长度，α 为单位长度损耗（dB/cm）。若已知波导损耗，或使用不同长度的背靠背结构做线性拟合，即可分离出 η。例如，测得两个长度 L₁=100 μm 和 L₂=1000 μm 的背靠背结构插入损耗分别为 IL₁=8.2 dB 和 IL₂=9.1 dB，则斜率给出 α=(9.1−8.2)/(0.09 cm)=10 dB/cm，截距给出单端耦合效率 η≈10^(−(8.2−10×0.01)/20)≈39%。
带宽提取则从波长扫描曲线出发。定义 3 dB 带宽为峰值功率下降 3 dB 对应的波长范围。若曲线不对称，可分别记录短波侧和长波侧的 3 dB 点，再取差值。对于存在旁瓣的曲线，应以主峰为准，避免把旁瓣误判为带宽。若需要更精确的带宽，可对扫描数据做洛伦兹或高斯拟合，从拟合参数中提取半高全宽。
四、测试记录与判断依据
一次完整的光栅耦合器测试应记录以下参数：入射角、偏振态、波长范围与步进、光纤类型、对准位置坐标、峰值功率、中心波长、3 dB 带宽、PDL、背靠背结构长度与插入损耗。判断耦合效率是否合格，通常看单端耦合效率是否大于设计目标（例如 30%～50%），带宽是否覆盖目标波段（例如 1260～1360 nm 内 3 dB 带宽大于 30 nm），PDL 是否小于 1 dB。
若耦合效率偏低，优先检查入射角是否偏离最佳值、光纤是否离焦、偏振是否与设计一致；若带宽偏窄，检查光栅周期和占空比是否与设计匹配；若 PDL 偏大，检查光栅是否针对单一偏振优化，或偏振控制器是否校准。通过把对准、波长、偏振三个维度分开测试，才能把耦合效率、带宽和偏振特性分别提取出来，为后续良率分析提供可靠数据。